電池負極活性材料通常為金屬。最近有人利用具有氧化還原活性的苯醌基或胺基有機化合物,作為可充電金屬-空氣電池上質(zhì)子和氫氧根離子進行氧化還原反應的負極材料。這種電池表現(xiàn)了極佳性能,其容量接近理論上的最大值。此外,在可充電空氣電池中,使用具有氧化還原活性的有機分子,不會出現(xiàn)金屬枝晶等問題,枝晶會影響電池性能,也不安全。而使用液態(tài)電解質(zhì)的金屬電池通常存在巨大的安全隱患,如電阻大、浸出效應且易燃。

目前,一個日本研究團隊研制出了全固態(tài)充電空氣電池(SSAB),并對其容量和耐用性進行了研究,其成果于2023年5月2日發(fā)表在《Angewandte Chemie》雜志國際版。

由于2,5-二羥基-1,4-苯醌(DHBQ)及其聚合物[聚(2,5-二羥基-1,4-苯醌-3,6-亞甲基)(PDBM)]在酸性條件下能進行穩(wěn)定可逆的氧化還原反應,研究人員選擇它們作為負極活性物質(zhì)。另外,他們利用能傳導質(zhì)子的全氟磺酸樹脂(Nafion)聚合物作為固體電解質(zhì),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體電解質(zhì)。

研究人員通過試驗評估了其充放電性能、倍率特性及循環(huán)穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)與使用金屬負極和有機液體電解質(zhì)的典型空氣電池不同,SSAB在水和氧氣的存在下不會變質(zhì)。此外,用聚合物PDBM代替單體DHBQ作為氧化還原活性材料制備的負極更好,在電流密度保持在1 mA/cm2的情況下,SSAB-DHBQ的放電容量僅為29.7 mAh/g,而SSAB-PDBM則高達176.1 mAh/g。研究人員還發(fā)現(xiàn),倍率為4C時SSAB -PDBM的庫侖效率為84%,倍率為101C時逐漸降至66%。在經(jīng)過30個循環(huán)后,SSAB-PDBM的放電能力雖然降低到了44%,但通過增加負極上質(zhì)子傳導聚合物含量,可將放電能力大幅度地提高到78%。電子顯微圖像證實,加入Nafion后,PDBM電極的性能和壽命提高。